Delftse start-ups ontwikkelen innovatieve en disruptieve katalysatoren dankzij semicon, plasmavonken en in situ TEM

We leven in een tijd van interactie tussen technologische disciplines als nooit eerder vertoond. De ontwikkelingen zijn zo disruptief, zo ontwrichtend, dat er heel wat weerstand overwonnen zal moeten worden vooraleer de industrie in staat zal zijn de vruchten te gaan plukken. Omdat we daar in het huidige tijdsgewricht toch enigszins aan gewend zijn geraakt en omdat de nieuwe generatie jonge bedrijven vanuit de academische wereld geleerd heeft hoe je kunt overleven in aanloop naar de grote doorbraak, daarom is het zinvol goed in de gaten te houden wat er allemaal in de snelkookpan zit. Zo kijken we naar twee Delftse bedrijven, Delft IMP en VSParticle en we spreken met de respectievelijke tech-ondernemers Bart van Limpt en Aaike van Vugt.

Intensified Materials Processing, daar staan de letters IMP van Delft IMP voor. Twee jaar geleden gestart vanuit de chemische technologie onderzoeksgroep van professor Ruud van Ommen. Het jonge bedrijf richt zich op het coaten van poeders om die poeders nieuwe functionaliteit te geven. “Het gaat bijvoorbeeld om kathode materiaal voor batterijen, voor een langere levensduur en het snel opladen. Dat coaten doe je met ALD technologie, Atomic Layer Deposition. Die technologie is bekend uit de wereld van halfgeleiders, ASM, en van de zonnecellen, SoLayTec. Een tweede voorbeeld is het verlengen van de levensduur van fosforen in LED verlichting, waarmee je UV omzet naar verschillende kleuren licht.”

Maar waar het vooral om gaat is katalyse. Via ALD kun je zeer specifiek functionaliteit aanbrengen op het oppervlak van katalysator dragermateriaal. “Daarmee kun je de katalyse-reactie heel gericht sturen, bijvoorbeeld voor het zuiveren van uitlaatgassen. Met ALD kunnen we gecontroleerd eilandjes op nanometerschaal creëren waardoor heel efficiënte omzettingen mogelijk worden. Daardoor is er veel minder van het dure edelmetaal nodig zoals platina en palladium.” De opschaling van deze technologie is wat de Delft IMP propositie uniek maakt. Van Limpt: “We maken gebruik van reactorconcepten die bekend zijn in de procesindustrie, zoals de pneumatische transportreactor. Hierbij transporteren we de poedervormige dragermaterialen door een buis, en vervolgens gebruiken we ALD om functionaliteit toe te voegen. De deeltjes worden meegenomen in een buis en volgens een wasstraatprincipe gecoat. Hoe langer de buis hoe dikker de coating en hoe groter de diameter van de buis hoe meer er geproduceerd kan worden. Voordeel daarvan is dat je een continu proces krijgt met een hogere throughput.” Van Limpt heeft het over een productie capaciteit van nu nog 10 kg per uur, via een buis met een doorsnede van een centimeter en een lengte van 30 meter.

“In een conventioneel fluide bed proces kunnen ook capaciteiten van 10 kg per uur worden gerealiseerd, maar dan wel tegen fors hogere investeringen. Pas je ons elegante reactorontwerp toe, dan kun je met een investering van gelijke orde veel meer throughput realiseren. Onze reactortechnologie kan direct worden geïntegreerd in bestaande processen in de industrie.”

Wat zijn de toekomstverwachtingen voor Delft IMP?

“We werken op dit moment samen met industriële partners aan de validatie van de producten die gemaakt kunnen worden in ons proces. Deze validatie stelt ons in staat een optimaal product te definiëren voor onze klant. We denken overigens dat de markt van batterij materialen wel eens sneller zou kunnen gaan lopen dan de markt van katalytische materialen, vooral vanwege de vraag naar veilige lithiumbatterijen.” Wat betreft katalysatoren voor de chemie is het pad volgens Van Limpt wat langer en complexer, hoewel de waardecreatie daar uiteindelijk veel groter zal zijn. “De grote chemische bedrijven  willen groot volume processen eerst vijf tot tien jaar valideren. Ook in de farma zijn de validatie trajecten vaak lang. Op dit moment voeren we vooral veel R&D en advieswerk uit in opdracht van de industrie. Maar we willen snel opschalen om een apparaat in de markt te kunnen zetten. We denken binnen twee jaar een product in de markt te hebben voor zo’n 60 kilogram productie per uur. Dan kunnen klanten op basis daarvan gaan opschalen.”

Het maken van katalysatoren als zodanig is meestal is ook al een chemisch proces. Dat blijkt ook bij Delft IMP nog steeds zo te zijn. De technologie van VSParticle is wat dat betreft waarschijnlijk nog iets meer disruptief. “Bij onze technologie is niet langer sprake van een chemisch synthese proces, maar van een fysisch synthese proces”, maakt Aaike van Vugt meteen duidelijk wat de grootste verandering is ten opzichte van de bestaande katalysetechnologie. Dat doen we door uit metaal  nanodeeltjes te maken en die direct te deponeren.” Aaike legt het heel mooi uit in ‘lekentaal’. “Een chemische reactie kun je vergelijken met een ‘klik’ tussen mensen. Je bent afhankelijk van de vraag of het wederzijds is. Zo ben je in de chemie afhankelijk van de vraag of de natuurwet een reactie toestaat. Als je zo’n reactie wilt herhalen, moet je steeds de juiste condities scheppen en die condities ook gecontroleerd in stand houden. Bij een fysisch synthese proces hoeft dat niet. Daar is het altijd hetzelfde. De moleculen moeten reageren. Ze hebben geen keuze, vanwege de Van der Waals krachten. Er wordt altijd dat materiaal gevormd dat je wilt hebben. Dus kun je volstaan met een simpele intuïtieve aansturing. Je hebt niet meer allerlei recepten nodig.”

Net als Bart van Limpt, weet Aaike van Vugt dat de proces-industrie conservatief is. “De huidige katalysatoren zijn grotendeels ontwikkeld met kennis die is opgedaan door veel trial and error. Men begint nu pas een beetje te begrijpen welke nanodeeltjes daadwerkelijk actief de katalysereactie teweeg brengen en hoe de katalysatoren werken die ze al jaren gebruiken.”Van Vugt wijst er op dat we nu met de VSParticle Technology veel beter in staat zijn om specifieke deeltjes te produceren, zowel qua grootte als wat betreft de compositie. “Hoe beter we de verschillende katalytische deeltjes los van elkaar kunnen produceren, hoe meer we leren over specifieke eigenschappen. Met de huidige deeltjes generator van VSParticle kunnen we onderscheid maken tussen deeltjes van bijvoorbeeld 4, 5 of 6 nanometer. In de volgende generatie hopen we nog verder te kunnen gaan en een onderscheid te kunnen maken tussen deeltjes van 100 en 101 atomen. De meerwaarde ontstaat dan als we precies kunnen zeggen welk deeltje wel, en welke niet katalytisch actief is.”

Overigens is Aaike heel blij met de ontwikkelingen in de onderzoekstechnologie die complementair en faciliterend zijn voor de technologie van VSParticle. Via de nieuwe modules in de elektronenmicroscopie, de in-situ TEM, Transmission Electron Microscopy, van Dens Solutions, en de SEM, Scanning Electron Microscopy, van Delmic, kunnen nu filmpjes worden gemaakt op nanoschaal in het proces. “Dan kun je precies zien welke deeltjes actief zijn.” De twee Delftse microscopiebedrijven hebben enorme sprongen gemaakt volgens Aaike van Vugt. “Door deze nieuwe ontwikkelingen te combineren met de productie systemen van VSParticle kan in de komende jaren enorm veel nieuwe kennis worden ontwikkeld. Kennis die onder andere van grote waarde is voor het ontwikkelen van hele effi ciënte katalysatoren maar ook voor verwante toepassingen als energie productie en opslag.”Voor de productie van nanodeeltjes van goud zijn onderzoekers soms maanden lang aan het experimenteren, om een receptuur te vinden dat het juiste deeltje oplevert. VSParticle wil dit complexe en tijdrovende proces gaan vervangen door een machine die in een paar uur het juiste deeltje oplevert.

Verder wil VSParticle deze technologie ook geschikt maken voor industriële productie. De systemen voor onderzoek en industrie zullen gebaseerd zijn op één en dezelfde technologie waardoor er snel geschakeld kan worden tussen onderzoek, testen en industriële productie. “Wij genereren de nanodeeltjes met een plasmavonk tussen twee geleidende metalen staafjes, waarbij het materiaal verhit wordt tot 20.000 graden Celsius. Het materiaal verdampt en gaat over in de gasfase. Onder invloed van Van der Waals krachten plakken atomen in de gaswolk aan elkaar vast en vormen zo steeds grotere deeltjes terwijl ze nog zweven in een inert geleidend gas, Argon. In een laatste stap worden de juiste deeltjes vanuit de gasfase geïmmobiliseerd in het eindproduct, bijvoorbeeld op een katalysator support oppervlak, of een MEMS sensor voor onderzoek. We realiseren hiermee een volcontinu proces, zonder chemicaliën of afvalstromen. Uiteindelijk betekent dit dat je de inactieve deeltjes kunt elimineren en enorme besparing realiseert qua benodigd kostbaar katalysatormateriaal.” VSParticle heeft in korte tijd al een aantal systemen verkocht aan onderzoekers binnen Nederland. In 2017 verwacht Van Vugt internationaal door te breken. “Het opschalen verloopt volgens plan en we verwachten binnen drie tot vijf jaar een eerste industriële pilot plant te hebben staan, afhankelijk van de adoptie snelheid van multinationals.”

Het is duidelijk. VSParticle was eind 2015 de terechte winnaar van de micronano Start Up of the Year Contest van MinacNed.